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Akkumulator

Definition: eine wiederaufladbare Batterie, also ein elektrochemischer Energiespeicher

Englisch: accumulator, rechargeable battery

Kategorien: elektrische Energie, Energieträger

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 06.04.2012; letzte Änderung: 03.11.2018

Ein Akkumulator (auch Akku oder Sekundärzelle) ist eine wiederaufladbare Batterie, d. h. ein Energiespeicher, der nach dem Entladen wieder elektrisch regeneriert werden kann. Im Gegensatz zu Kondensatoren wird die Energie in einem Akkumulator in elektrochemischer und nicht in elektrischer Form gespeichert.

Viele Details von Akkumulatoren sind recht ähnlich wie bei nicht wiederaufladbaren Batterien; sie sind im Artikel über Batterien erläutert.

Genauso wie nicht wiederaufladbare Batterien müssen Akkus aller Arten am Ende der Lebensdauer ordnungsgemäß entsorgt werden, da sie diverse giftige Stoffe enthalten können und auch wiederverwertbare Materialien. Für die Endverbraucher stehen Sammelbehälter bei den Einzelhändlern zur Verfügung [2].

Ladegerät für NiMH-Akkus
Abbildung 1: Ein elektronisches Ladegerät mit vier NiMH-Akkus. Jeweils zwei Akkus werden zusammen geladen, erkennbar an den nur zwei Kontrollleuchten. Deswegen sollten hier immer zwei gleiche und auch zusammen verwendete Akkus miteinander geladen werden.

Der Ladevorgang

Beim Aufladen eines Akkumulators wird von einem Ladegerät ein elektrischer Stromfluss erzwungen, der der Stromrichtung beim Entladen entgegengerichtet ist. Das Ladegerät muss also gegen die Zellenspannung arbeiten, die beim Laden noch etwas erhöht ist. Hierbei laufen die elektrochemischen Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Am Ende ist der Akkumulator idealerweise wieder im gleichen Zustand wie vor der Entladung. Allerdings kann sowohl die Kapazität als auch die Zellenspannung nach häufigen Lade- und Entladezyklen abnehmen. Ebenfalls kann der Innenwiderstand zunehmen, so dass die Strombelastbarkeit nachlässt.

Typischerweise dauert der Ladevorgang einige Stunden, im Falle einer Schnellladung (mit geeignetem Akkumulator und Ladegerät) auch weniger. Eine Überladung sollte vermieden werden, da sie dem Akkumulator meist schadet. Idealerweise wird ein Ladegerät verwendet, welches genau zum Typ des Akkus passt und den Ladezustand überwacht. (Je nach Typ des Akkus sind unterschiedliche Ladestrategien optimal.)

Da einfache Ladegeräte häufig zwei oder mehr Akkus einfach in Serie laden, also mit genau gleichem Ladestrom, sollten hier immer genau die Akkus zusammen geladen werden, die immer auch im Gerät zusammen verwendet werden (siehe Abbildung 1).

Schnellladungen können praktisch sein, z. B. wenn ein Elektroauto schnell wieder einsatzbereit sein soll. Jedoch erfordern sie eine hohe Leistung, und die Energieeffizienz wird etwas reduziert. Auch die Lebensdauer eines Akkumulators kann durch häufige Schnellladungen reduziert werden.

Wichtige Eigenschaften wiederaufladbarer Batterien

Die wichtigsten Eigenschaften von wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) sind die folgenden:

  • Die elektrische Spannung ist die Energiemenge pro Ladungseinheit (z. B. 1,5 V = 1,5 Joule pro Coulomb Ladung). Die Spannung eines Akkus nimmt beim Entladen allmählich ab, bis eine gewisse Mindestspannung (die Entladeschlussspannung) erreicht oder unterschritten wird. Typischerweise nimmt die Spannung beim langsamen Entladen für längere Zeit kaum ab und bleibt nahe bei der sogenannten Nennspannung, um dann bei weitgehender Entladung deutlich rascher abzusacken. Zum Laden wird eine etwas höhere Ladespannung benötigt.
  • Zusätzlich nimmt die Spannung auch sehr kurzzeitig (aber weitgehend reversibel) ab, wenn eine hohe Stromstärke entnommen wird; dies liegt am Innenwiderstand des Akkus. Der Innenwiderstand begrenzt damit die entnehmbare Stromstärke. Typischerweise haben Akkus im Vergleich zu nicht wiederaufladbaren Batterien einen niedrigeren Innenwiderstand und somit eine wesentlich höhere Strombelastbarkeit. Die entnehmbare Leistung ist das Produkt von Spannung und Stromstärke.
  • Unter der Kapazität eines Akkumulators versteht man die insgesamt entnehmbare Ladungsmenge – meist in Amperestunden (Ah) oder Milliamperestunden (mAh) angegeben. Beispielsweise kann eine Autobatterie mit 50 Ah eine Stromstärke von 1 A über 50 Stunden liefern, oder 2 A über 25 Stunden. Die Kapazität hängt hauptsächlich vom Volumen und Typ des Akkus (z. B. Blei, Nickel-Metallhydrid oder Lithium-Ionen) ab, weniger vom Hersteller.
  • Die abrufbare Energiemenge (der Energieinhalt) ist etwa das Produkt der Nennspannung und der Kapazität. Beispielsweise speichert eine 12-V-Autobatterie mit 50 Ah eine Energiemenge von 12 V · 50 Ah = 600 Wh = 0,6 kWh. Wenn ein Akku viele Zellen in Serienschaltung enthält, hat er (bei gegebenem Gewicht) eine geringe Kapazität (weil die einzelnen Zellen klein sind), jedoch eine höhere Spannung.
  • Die gravimetrische oder volumetrische Energiedichte ist der speicherbare Energieinhalt pro Masse- bzw. Volumeneinheit.
  • Die Leistungsdichte ist die entnehmbare Leistung pro Masse- oder Volumeneinheit. Sie muss z. B. bei Elektroautos und Hybridfahrzeugen recht hoch sein, um genügend Leistung zum Antrieb und bei der Rekuperation zu bieten. Solche Hochleistungsakkumulatoren sind auch besonders gut schnellladefähig.
  • Auch bei Nichtbenutzung eines Akkumulators gibt es eine gewisse Selbstentladung, die meist deutlich stärker ist als bei nicht wiederaufladbaren Batterien, vor allem bei höheren Temperaturen. Es gibt Akkus, die für eine besonders geringe Selbstentladung optimiert sind (LSD = low self-discharge) und teils als sogenannte Ready-to-Use-Batterien verkauft werden, weil sie beim Auspacken noch einen einigermaßen guten Ladezustand haben sollten. Eine solche Optimierung kann jedoch auf Kosten der Kapazität gehen.
  • Die nötige Ladezeit wird durch den erlaubten Ladestrom begrenzt. Hierfür gibt es keine feste Grenze, jedoch kann die Kapazität und die Lebensdauer bei hohen Ladeströmen abnehmen. Ebenso wird die Energieeffizienz reduziert, da eine etwas höhere Ladespannung benötigt wird. Die Grenzen sind eher erreichbar, wenn die Ladespannung und auch die Temperatur beim Laden automatisch genau überwacht wird.
  • Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel von der beim Laden aufgewandten Energie beim Entladen verfügbar ist. Er hängt hauptsächlich vom Verhältnis der Ladespannung zur Entladespannung ab und liegt bei vielen Akkumulator-Typen in der Gegend von 90 % (ohne Berücksichtigung von Verlusten im Ladegerät, die meist einige Prozent betragen, bei Kleingeräten auch wesentlich mehr).
  • Die Lebensdauer von Akkus ist begrenzt und kann stark von den Betriebsbedingungen (Lade- und Entladeströme, Lade- und Entlade­endspannung, Temperatur, etc.) abhängen (siehe unten).

Typische Probleme mit Akkumulatoren

Kurzschluss oder Beschädigung

Bei Kurzschluss können viele Akkus recht hohe Stromstärken liefern, was nicht nur zu schneller Entladung, sondern womöglich auch zur Zerstörung führt. Manche Akkus (insbesondere viele Lithium-Akkus) können auch bei äußerer Beschädigung (z. B. bei einem Unfall eines Elektroautos) oder starker Überhitzung relativ spektakulär enden, etwa mit starker Hitze- und Rauchentwicklung. Hierbei wird ein Großteil der gespeicherten Energie als Wärme freigesetzt.

Mehr Details zu den Gefahren erfahren Sie weiter unten.

Memory-Effekt und Batterieträgheit

Manche Akkus zeigen den sogenannten Memory-Effekt, wenn sie häufig vor dem Laden nur teilweise entladen werden: Sie scheinen sich die nötige Ladungsmenge zu merken und können dann auch nicht mehr als diese liefern, jedenfalls nicht mehr auf dem gewohnten Spannungsniveau. Der Memory-Effekt wird insbesondere bei Nickel-Cadmium-Akkus mit gesinterten Elektroden beobachtet, kann aber durch entsprechende Optimierung der Akkus stark reduziert werden. Die heute meist verwendeten Nickel-Metallhydrid-Akkus zeigen kaum einen Memory-Effekt.

Ähnlich ist der Batterieträgheitseffekt (Lazy-Battery-Effekt), der ebenfalls bei häufiger Teilentladung auftreten kann; dann ist die Spannung des Akkus reduziert (selbst direkt nach dem Laden). Solche Effekte sind meist reversibel: Sie verschwinden, wenn der Akku einmal oder mehrmals wieder komplett entladen wird (bis zur Entladeschlussspannung, nicht tiefer!) und dann jeweils wieder ganz aufgeladen wird.

Moderne Ladegeräte enthalten oft Einrichtungen zur Minimierung solcher unerwünschter Effekte.

Reduzierte Spannung und Kapazität bei starker Belastung

Wenn ein Akkumulator mit relativ hoher Stromstärke entladen wird, liegt die Klemmenspannung deutlich unterhalb des Werts für geringe Stromstärken. Dieser Effekt wird durch den sogenannten Innenwiderstand quantifiziert, der freilich kein einfacher ohmscher Widerstand ist, sondern auch von der begrenzten Geschwindigkeit chemischer Prozesse bestimmt wird.

Bei vielen Akku-Typen wird außerdem beobachtet, dass die insgesamt entnehmbare Ladung bei hoher Entladerate deutlich geringer ist. Dies ist an sich überraschend, da man erwarten könnte, dass die entnehmbare Ladung nur durch die Menge des Materials begrenzt ist, die oxidiert bzw. reduziert werden kann.

Bestimmung des Ladezustands

Der Ladezustand eines Akkus lässt sich meist nicht leicht bestimmen. Die elektrische Spannung lässt sich zwar leicht messen, gibt aber wenig Aufschluss über die Restkapazität: Häufig bleibt die Spannung lange fast konstant, um dann erst bei weitgehender Erschöpfung rasch abzusacken. Am ehesten lässt sich der Ladezustand über die Messung der bereits entnommenen Ladung seit dem kompletten Laden abschätzen. Bei Bleiakkus ergibt eine Messung der Säuredichte eine zuverlässige Einschätzung des Ladezustands.

Bestimmung der Kapazität

Die Speicherkapazität eines Akkumulators sinkt im Rahmen der natürlichen Alterung – beschleunigt bei ungünstigen Betriebsbedingungen, z. B. bei gelegentlicher Tiefentladung.

In der Praxis macht sich die reduzierte Kapazität zwar durch beschleunigte Erschöpfung im Betrieb bemerkbar, jedoch ist es leider oft schwierig, die Kapazität quantitativ zu erfassen. Bei manchen Geräten wie Notebooks kann die Ladeelektronik die Kapazität einigermaßen genau bestimmen, aber in anderen Fällen bleibt nur ein Test, bei dem der voll geladene Akkumulator mit einer bekannten Last entladen wird und man die Zeit bis zur Erschöpfung misst. Natürlich sollte eine Tiefentladung auch dabei vermieden werden.

Begrenzte Lebensdauer

Akkumulatoren haben zwei Arten von Lebensdauern:

  • Die kalendarische Lebensdauer gibt an, wie lange ein unter festgelegten Bedingungen gelagerter Akkumulator verwendbar bleibt, das heißt unter anderem einen Großteil seiner Kapazität behält. Die kalendarische Lebensdauer kann stark von der Lagertemperatur abhängen; vor allem für Lithium-Batterien kann sie bei 80 °C über zehnmal geringer ausfallen als bei 40 °C. Dies liegt daran, dass gewisse chemische Alterungsprozesse bei erhöhten Temperaturen stark beschleunigt werden. Wichtig ist außerdem der Einfluss des Ladezustands während der Lagerung. Beispielsweise sollten Bleiakkus möglichst im voll geladenen Zustand gelagert werden, Lithium-Ionen-Akkus dagegen besser im etwa halb geladenen Zustand. Eine Tiefentladung (auf einem Spannungsniveau deutlich unterhalb der vorgesehenen Entladeendspannung) und insbesondere auch längeres Lagern im tief entladenen Zustand ist häufig sehr schädlich.
  • Die Zyklenlebensdauer ist die Zahl der vollständigen Lade-/Entladezyklen, die ein Akkumulator absolvieren kann, bis seine Kapazität deutlich nachlässt. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die genannte Zahl der Zyklen in einer Zeit absolviert wird, die erheblich unter der kalendarischen Lebensdauer liegt. Manche Akkus (besonders “zyklenfeste”) erlauben viele hundert oder sogar tausende von Ladezyklen ohne starkes Nachlassen der Kapazität und Spannung.

Für die meisten Akkumulatortypen gilt, dass im Falle einer jeweils nur teilweisen Ladung und Entladung (z. B. nur 10 % der Kapazität) die Zahl der möglichen Zyklen wesentlich stärker ansteigt, als man naiv erwarten könnte. Unter diesen Bedingungen ist es oft möglich, insgesamt ein Vielfaches der Ladungsmenge durchzusetzen, die bei vollständigen Zyklen möglich wäre. Dieser Effekt wird beispielsweise bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb (ohne Möglichkeit der Aufladung an der Steckdose) ausgenutzt, kann aber bei Elektroautos weniger gut genutzt werden.

Die Herstellerangaben für die Lebensdauer gelten jeweils für eine optimale Behandlung der Akkumulatoren. Die tatsächliche Lebensdauer kann massiv reduziert werden, wenn ein Akkumulator überladen oder tief entladen wird. Insbesondere Lithium-Akkus können bereits durch eine einzige Tiefentladung zerstört werden; die Ladeelektronik erlaubt dann oft kein Aufladen mehr, da der Akku dabei in Flammen aufgehen könnte.

Kompromisse bei der Entwicklung

Bei der Entwicklung von Akkumulatoren sowie bei den Betriebsbedingungen müssen je nach der vorgesehenen Anwendung diverse Kompromisse eingegangen werden:

  • Akkus können für besonders hohe Strombelastbarkeit optimiert werden, z. B. für den Einsatz als Starterbatterien oder als Hochleistungsbatterien für Elektroautos und Hybridautos oder auch Modellflugzeuge. Dies kann jedoch zu Lasten der Kapazität und vor allem der Selbstentladerate gehen. Als Starterbatterien optimierte Bleiakkus verlieren auch an Kapazität, wenn sie weitgehend entladen werden. Solche Akkus eignen sich z. B. nicht als Solarakkus, bei denen es weniger auf hohe Strombelastung ankommt als auf die Möglichkeit, den Akku ggf. auch weit zu entladen.
  • Wenn Akkus für eine niedrige Selbstentladerate optimiert werden, haben sie u. U. eine reduzierte Kapazität.
  • Ein volles Ausreizen der Kapazität durch Laden mit einer hohen Ladeendspannung kann auf Kosten der Lebensdauer gehen.

Man beachte, dass die Selbstentladung beim Hochleistungs-Einsatz kaum eine Rolle spielt, während sie bei Langzeit-Anwendungen gering sein sollte.

Typen von Akkumulatoren

Für Kleingeräte im Haushaltsbereich sind Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH-Akkus) besonders populär. Sie sind in den gleichen Bauformen wie nicht wiederaufladbare Batterien verfügbar, weisen aber leider eine deutlich geringere Zellenspannung von ca. 1,2 V auf, so dass manche Verbraucher damit nicht oder deutlich weniger lange betrieben werden können. Der Innenwiderstand ist relativ niedrig, was zu einer hohen Strombelastbarkeit führt. Auch deswegen sind solche Akkus für Geräte mit hohem Leistungsbedarf (z. B. Fotoapparate) wesentlich besser geeignet als nicht wiederaufladbare Batterien. Ähnliche Eigenschaften (aber eine geringere Energiedichte) haben die früher häufig verwendeten Nickel-Cadmium-Akkus (NiCd-Akkus), die jedoch wegen des enthaltenen sehr giftigen Cadmiums inzwischen weniger verwendet werden. (Sie sind EU-weit verboten, aber mit Ausnahmen für etliche Anwendungen.) Sowohl NiMH- als auch NiCd-Akkus werden auch für größere Geräte verwendet, etwa für Gabelstapler oder Elektroautos und Hybridautos. Kaum gebräuchlich sind spezielle Varianten wie Nickel-Wasserstoff-Akkus.

Autobatterie
Abbildung 2: Eine Autobatterie (Bleiakkumulator) mit einer Spannung von 12 V und einer relativ hohen Kapazität von 90 Ah beim Laden mit einem kleinen elektronischen Ladegerät.

Seit der Mitte des 19. Jahrhunderts werden viele Bleiakkumulatoren verwendet. Sie sind z. B. für Starterbatterien von Autos (Abbildung 2) bis heute die bei Weitem gängigste Lösung, und anders optimierte Typen wie z. B. Blei-Gel-Batterien sind zwar weniger strombelastbar, dafür aber auslaufsicher in jeder Lage. Die Zellenspannung von Bleiakkus liegt bei 2 V, und meist werden mehrere Zellen kombiniert, um eine Spannung von z. B. 6 V, 12 V oder 24 V zu erhalten. Die Energiedichte liegt erheblich tiefer als z. B. bei Nickel-basierten Akkus, der Preis jedoch auch. Die enthaltene konzentrierte Schwefelsäure ist stark ätzend, und insbesondere bei Überladung sinkt der Säurestand, und es muss destilliertes Wasser nachgefüllt werden.

Lithium-Ionen-Akkus und diverse andere Lithium-basierte Akkus (mit recht unterschiedlichen Elektrodenmaterialien und Elektrolyten) weisen eine besonders hohe Energiedichte (meist zwischen 100 und 300 Wh/kg) auf, jedoch auch einen wesentlich höheren Preis als die meisten anderen Typen. Die Nennspannung liegt zwischen 3,3 V und 3,8 V, also relativ hoch. Lithium-Akkus sind heute Standard für viele relativ viel Energie benötigende mobile Geräte wie Notebooks (tragbare Computer), Mobiltelefone und Digitalkameras, wo Lösungen z. B. mit NiMH-Batterien zu schwer wären. Die Strombelastbarkeit und Leistungsdichte hängen stark vom verwendeten Typ ab, sind aber meist relativ hoch. Die Lebensdauer kann unter idealen Bedingungen recht lang sein (mit tausenden von Ladezyklen über viele Jahre), kann bei ungünstigen Bedingungen aber drastisch sinken; beispielsweise kann eine Lithium-Ionen-Batterie schon durch eine einmalige Tiefentladung irreparabel zerstört werden. Die Verwendung eines nicht genau zum Akkutyp passenden Ladegeräts kann ebenfalls sehr ungünstig sein. Wenn durch den Betrieb bei hohen Temperaturen und/oder starker Überlastung ein sogenannter “thermal run-away” eintritt, kann der Akku auch auf spektakuläre und gefährliche Weise abbrennen. (Mehr hierzu weiter unten im Abschnitt über Gefahren von Batterien.)

Natrium-Schwefel-Batterien (NaS-Akkus) haben eine ungewöhnliche Bauart: Sie arbeiten mit geschmolzenen Elektroden und einem festen keramischen Elektrolyt. Die Energiedichte ist relativ hoch, und es lassen sich sehr große Akkus damit realisieren, die z. B. für die Stabilisierung des Stromnetzes eingesetzt werden können. Der Wirkungsgrad ist leider mit 70 bis 85 % deutlich geringer als bei etlichen anderen Akku-Typen. Ein wesentlicher Nachteil ist zudem, dass Natrium-Schwefel-Batterien ständig auf mindestens ca. 300 °C gehalten werden müssen. (Solche Batterien werden als Thermalbatterien bezeichnet.) Das Warmhalten verschlingt vor allem bei kleineren NaS-Batterien (etwa für Elektroautos) wesentliche Mengen an Energie, obwohl ansonsten die elektrochemische Selbstentladung sehr gering ist. Ein ähnlicher Typ ist die Natrium-Nickelchlorid-Zelle (auch als ZEBRA-Batterie bezeichnet). Ein solcher Akku in einem Kleinwagen verursacht für das Warmhalten einen Standby-Verbrauch in der Größenordnung von 100 W, allerdings stark abhängig von der Qualität seiner Wärmedämmung. Das ergäbe pro Jahr einen Verbrauch von 876 kWh für das Warmhalten – entsprechend grob geschätzt dem Verbrauch für eine Fahrstrecke von 60 bis 70 km, oder einem Viertel des Stromverbrauchs eines typischen Haushalts in Deutschland.

Neue Typen von Akkumulatoren

Diverse andere Typen von Akkumulatoren werden seltener verwendet oder befinden sich noch in der Entwicklungsphase. Beispielsweise werden derzeit intensiv diverse neue Formen von Lithium-Akkus untersucht, die oft den bereits breit eingesetzten Lithium-Ionen-Akkus ähneln, aber Vorteile beispielsweise im Hinblick auf die Energiedichte, die Sicherheit (v. a. für Fahrzeuge) oder die Kosten bringen könnten. Auch mit gänzlich anderen Systemen werden gelegentlich interessante Fortschritte erzielt, beispielsweise mit Aluminium-Ionen-Akkus, die als Hauptvorteil enorm hohe Lade- und Entladeströme erlauben könnten – beispielsweise das komplette Laden innerhalb nur einer Minute, falls eine entsprechend hohe elektrische Leistung dafür zur Verfügung steht.

Allerdings muss ein breit einsetzbarer Akkumulator-Typ eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften aufweisen, und neue Typen leiden oft trotz gewisser Vorteile unter bestimmten Mängeln, die schwer behebbar sind. Es ist auch sehr schwer vorherzusehen, welche dieser Mängel mit neuen Optimierungen oder auch gänzlich neuen Fertigungsverfahren zukünftig behoben werden können. Deswegen ist es heute auch unklar, inwieweit neue Batterietypen beispielsweise in zehn bis 20 Jahren massive Fortschritte bei Elektroautos erlauben könnten.

Typische Anwendungen von Akkumulatoren

Diverse, wenn auch nicht alle Kleingeräte für Haushalt und Freizeit (z. B. Digitalkameras und Kofferradios) können gut mit aufladbaren Batterien betrieben werden. Im Allgemeinen ist dies sinnvoll, wenn nicht wiederaufladbare Batterien in relativ kurzer Zeit (wenige Wochen) verbraucht wären. Geräte mit hoher Stromaufnahme funktionieren häufig sogar nur mit Akkus, weil andere Batterien keine so hohen Ströme liefern können. Viele Digitalkameras, Mobiltelefone, tragbare Computer, Taschenlampen und Handstaubsauger sind deswegen oft von Vornherein mit passenden Akkus ausgestattet.

Etwas größere Akkus dienen z. B. für Elektro-Fahrräder (E-Bikes und Pedelecs), Gartengeräte und leistungsfähige Akku-Werkzeuge. Bei Pedelecs liegt der Energieinhalt des Akkus z. B. bei einigen hundert Wattstunden (Wh), entsprechend einigen Zehntel Kilowattstunden. Ein komplett geladener Akku enthält also elektrische Energie für einige Euro-Cent. Man beachte, dass der Kaufpreis umgerechnet auf einen Ladezyklus wesentlich höher sein kann als die Energiekosten für das Laden.

Systeme zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) enthalten einen Akkumulator, der im Normalbetrieb über das Stromnetz ständig voll geladen gehalten wird. Im Falle eines Stromausfalls wird dann sofort auf Akkubetrieb umgeschaltet. Selbst wenn dies nur relativ kurze Betriebszeiten von z. B. 15 Minuten erlaubt, genügt dies z. B. für Computeranlagen, um alle Daten abzuspeichern und den Betrieb geordnet zu beenden. Im Rahmen einer Notstromversorgung können Akkus die Zeit bis zur Aktivierung längerfristig einsetzbarer Aggregate (etwa mit Dieselmotoren) überbrücken.

Für Autos mit Hybridantrieb (z. B. Toyota Prius) werden Akkus als Traktionsbatterien mit einem Energieinhalt von einigen Kilowattstunden und einer Masse von z. B. 40 kg eingesetzt. Dies genügt für rein elektrisches Fahren über wenige Kilometer (bei langsamem Tempo). Für ein Plug-in-Hybridfahrzeug oder ein Elektroauto wird ein Akku mit einem wesentlich höheren Energieinhalt benötigt, so dass die Kosten und das Gewicht recht hoch werden.

Recht große Akkumulatoranlagen werden vereinzelt für die Kurzzeit-Stabilisierung des Stromnetzes oder für Überbrückungszwecke bei Inselnetzen verwendet, ebenfalls in U-Booten.

Auch dezentrale Solarstromspeicher basieren auf Akkumulatoren mit Kapazitäten von z. B. einigen Kilowattstunden.

Graue Energie

Die Herstellung von Akkumulatoren verursacht einen erheblichen Aufwand an Energie (→ graue Energie), insbesondere für die Herstellung von Materialien wie Aluminium und Kupfer. Dies spielt eine Rolle, wenn größere Akkumulatoren als Speicher für elektrische Energie eingesetzt werden, beispielsweise in einem Elektroauto oder in einem Solarstromspeicher. Selbst wenn solch ein Speicher nur mit erneuerbarer Energie geladen wird, erfordert seine Herstellung unter Umständen so viel Energie, wie für hunderte von Ladezyklen gebraucht wird. Allerdings sind recht unterschiedliche Daten hierzu im Umlauf, und es ist schwierig, verlässliche Zahlen zu ermitteln.

Unter Umständen lässt sich der Energieeinsatz durch Recycling erheblich reduzieren. Bei größeren Batterien ist das Vorhaben, einen großen Anteil nach Gebrauch dem Recycling zuzuführen, auch wesentlich realistischer als bei kleinen, z. B. aus Haushaltsgeräten.

Gefahren von Batterien

Naturgemäß besteht bei jedem Energiespeicher mit nennenswerter Kapazität die prinzipielle Gefahr, dass die gespeicherte Energie auf ungewollte und destruktive Weise freigesetzt wird. Bei Batterien ist dies z. B. der Fall, wenn ein Kurzschluss auftritt, d. h. wenn die Pole direkt miteinander verbunden werden und somit die Batterie mit einer sehr hohen Stromstärke belastet wird. Die führt zu einer starken inneren Erhitzung und in der Folge u. U. zum Aufplatzen des Batteriegehäuses mit Freisetzung heißer flüssiger oder gasförmiger Substanzen, die z. T. giftig und ätzend sind.

Tendenziell sind solche Gefahren ernster bei Batterien mit hoher Kapazität und hoher Energiedichte und Leistungsdichte. Besonders Lithium-Ionen-Batterien sind dafür bekannt, dass sie auf relativ spektakuläre und gefährliche Weise enden können – etwa mit Rauchentwicklung, heißen Flammen, Versprühen heißer giftiger Flüssigkeiten und Dämpfe oder gar mit einer Explosion. Dies kann nicht nur bei Kurzschluss geschehen, sondern auch in anderen Problemsituationen wie z. B. einer wesentlich zu hohen Umgebungstemperatur oder einer starken mechanischen Beschädigung. Wenn im Inneren eine gewisse kritische Temperatur überschritten wird, kann dies zum thermischen Durchgehen (thermal run-away) führen: Es tritt eine innere Entladung ein, die die Temperatur weiter steigert, so dass die Batterie selbst bei völligem Beenden der Strombelastung unumkehrbar heißer und heißer wird, was zur endgültigen Zerstörung der Batterie und u. U. zur Gefährdung der Umgebung führen kann. Solch eine Problematik kann auch durch Überladen ausgelöst werden (d. h. schon bei geringfügigem Überschreiten der erlaubten Ladespannung) und ebenfalls durch ein Laden nach einer Tiefentladung.

Diverse Arten von Sicherheitsvorkehrungen können die Gefahren des Einsatzes von Batterien begrenzen:

  • Die Anschlüsse leistungsfähiger Batterien sollen so gestaltet sein, dass ein Kurzschluss z. B. durch versehentliches Berühren der Pole mit einem metallischen Werkzeug sicher verhindert wird.
  • Sicherungen (z. B. Schmelzsicherungen) in die Anschlussleitungen können den Stromkreis bei Überschreiten der erlaubten Stromstärke schnell unterbrechen.
  • Um eine sichere Unterbrechung des Stroms zu gewährleisten, dürfen z. B. zum Schalten nicht solche Transistoren eingesetzt werden, die bei Überlastung dauerhaft leitend werden. Mechanische Schaltkontakte z. B. in Relais müssen von hoher Qualität sein.
  • Die Temperatur im Inneren der Batterie kann von einer Elektronik überwacht werden, die ggf. die Strombelastung reduziert oder ganz wegnimmt.
  • Durch geeignete Maßnahmen muss verhindert werden, dass Batterien von außen zu stark erhitzt werden. Dies kann z. B. in Elektroautos problematisch sein, wenn sie an heißen Tagen in der Sonne stehen.
  • Eine Elektronik kann die Spannungen der einzelnen Zellen eines Batteriepacks überwachen und bei kritischen Abweichungen geeignete Maßnahmen (z. B. das Abschalten) einleiten.
  • Da wichtige Parameter wie z. B. die erlaubte maximale Spannung und Stromstärke beim Laden selbst zwischen unterschiedlichen Formen von Lithium-Ionen-Batterien deutlich unterschiedlich sein können, muss die verwendete Elektronik unbedingt auf den genauen Batterietyp zugeschnitten sein. Beim Auswechseln defekter Zellen muss ggf. darauf geachtet werden, genau die richtigen Ersatzteile zu verwenden.
  • Beim Transport leistungsfähiger Batterien müssen diverse Sicherheitsregeln beachtet werden. Beispielsweise muss eine sichere Verpackung gewählt werden, die so gekennzeichnet ist, dass der Transporteur die relevanten Informationen (z. B. Batterietyp, Hersteller, Gefahrenhinweise, Telefonnummer für den Kontakt im Problemfall) leicht erkennen kann.

Natürlich kann allein schon die Wahl eines geeigneten Batterietyps solche Gefahren stark vermindern. Dies ist einer der Gründe, warum für stationäre Anwendungen nicht unbedingt Batterien mit der höchstmöglichen Energiedichte verwendet werden.

Literatur

[1]Extra-Artikel: Tipps zum Umgang mit wiederaufladbaren Batterien
[2]GRS Batterien – gemeinsames Rücknahmesystem, http://www.grs-batterien.de
[3]Florian Müssig, “Strom to go. So funktionieren Lithium-Ionen-Akkus”, c't 2/2014, S. 174, http://www.heise.de/ct/inhalt/2014/2/174/

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Batterie, Ladegerät, elektrische Energie, Speicher für elektrische Energie, Energiespeicher, Kondensator, Elektroauto, Solarstromspeicher
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Energieträger

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